Lorsque nous pensons aux voyages dans l'espace, nous avons tendance à imaginer une énorme fusée décollant de la Terre, avec d'énormes courants de feu et de fumée sortant du fond, alors que l'énorme machine lutte pour échapper à la gravité de la Terre. Mais une fois qu'un vaisseau spatial a rompu son lien gravitationnel avec la Terre, nous avons d'autres options pour les alimenter. La propulsion ionique, dont on rêvait depuis longtemps dans la science-fiction, est maintenant utilisée pour envoyer des sondes et des vaisseaux spatiaux lors de longs voyages dans l'espace.
La NASA a commencé ses recherches sur la propulsion ionique dans les années 50. En 1998, la propulsion ionique a été utilisée avec succès comme système de propulsion principal d'un vaisseau spatial, propulsant le Deep Space 1 (DS1) dans sa mission vers l'astéroïde 9969 Braille et la comète Borrelly. Le DS1 a été conçu non seulement pour visiter un astéroïde et une comète, mais pour tester douze technologies avancées à haut risque, parmi lesquelles le système de propulsion ionique lui-même.
Les systèmes de propulsion ionique génèrent une infime quantité de poussée. Tenez neuf quarts dans votre main, sentez la gravité de la Terre les tirer, et vous avez une idée du peu de poussée qu'ils génèrent. Ils ne peuvent pas être utilisés pour lancer des vaisseaux spatiaux à partir de corps à forte gravité. Leur force réside dans la poursuite de la génération de poussée dans le temps. Cela signifie qu'ils peuvent atteindre des vitesses de pointe très élevées. Les propulseurs à ions peuvent propulser les engins spatiaux à des vitesses supérieures à 320 000 kp / h (200 000 mph), mais ils doivent être en fonctionnement pendant une longue période pour atteindre cette vitesse.
Un ion est un atome ou une molécule qui a perdu ou gagné un électron et qui a donc une charge électrique. L'ionisation est donc le processus consistant à donner une charge à un atome ou à une molécule, en ajoutant ou en retirant des électrons. Une fois chargé, un ion voudra se déplacer par rapport à un champ magnétique. C'est au cœur des disques ioniques. Mais certains atomes sont mieux adaptés à cela. Les lecteurs d'ions de la NASA utilisent généralement du xénon, un gaz inerte, car il n'y a aucun risque d'explosion.
Dans un lecteur ionique, le xénon n'est pas un carburant. Il n'est pas brûlé et n'a aucune propriété inhérente qui le rend utile comme carburant. La source d'énergie d'un lecteur ionique doit venir d'ailleurs. Cette source peut être de l'électricité provenant de cellules solaires ou de l'électricité produite par la chaleur de désintégration d'une matière nucléaire.
Les ions sont créés en bombardant le gaz xénon avec des électrons de haute énergie. Une fois chargés, ces ions sont attirés à travers une paire de grilles électrostatiques - appelées lentilles - par leurs charges, et sont expulsés hors de la chambre, produisant une poussée. Cette décharge est appelée faisceau ionique et elle est à nouveau injectée avec des électrons pour neutraliser sa charge. Voici une courte vidéo montrant le fonctionnement des lecteurs ioniques:
Contrairement à une fusée chimique traditionnelle, où sa poussée est limitée par la quantité de carburant qu'elle peut transporter et brûler, la poussée générée par un entraînement ionique n'est limitée que par la force de sa source électrique. La quantité de propulseur qu'une embarcation peut transporter, dans ce cas le xénon, est une préoccupation secondaire. Le vaisseau spatial Dawn de la NASA n'a utilisé que 10 onces de propulseur au xénon, soit moins qu'une canette de soda, pour 27 heures de fonctionnement.
En théorie, il n'y a pas de limite à la force de la source électrique alimentant le variateur, et des travaux sont en cours pour développer des propulseurs ioniques encore plus puissants que ceux que nous avons actuellement. En 2012, le propulseur au xénon évolutif (NEXT) de la NASA a fonctionné à 7 000 W pendant plus de 43 000 heures, en comparaison avec le lecteur d'ions sur DS1 qui n'utilisait que 2100 W. NEXT, et les conceptions qui le dépasseront à l'avenir, permettront aux vaisseaux spatiaux d'effectuer des missions prolongées vers plusieurs astéroïdes, comètes, planètes extérieures et leurs lunes.
Les missions utilisant la propulsion ionique comprennent la mission Dawn de la NASA, la mission japonaise Hayabusa sur l'astéroïde 25143 Itokawa, et les prochaines missions de l'ESA Bepicolombo, qui se rendra à Mercure en 2017, et LISA Pathfinder, qui étudiera les ondes gravitationnelles à basse fréquence.
Avec l'amélioration constante des systèmes de propulsion ionique, cette liste ne fera que s'allonger.
